ANYAGOK ÉS MÓDSZEREK
Általános felépítés. Ez a vizsgálat három fő részből állt. Az I. részben olyan occipitotemporális területeket kerestünk, amelyek az arc észlelésére specializálódhattak azáltal, hogy minden egyes alanyon belül olyan területeket kerestünk a ventrális (occipitotemporális) pályán, amelyek szignifikánsan erősebben reagáltak az arcokról készült fényképek passzív megtekintése során, mint a válogatott közönséges tárgyak fotói. Ez az összehasonlítás felderítőként szolgált, lehetővé téve számunkra, hogy (1) anatómiailag lokalizáljuk a jelölt “arcterületeket” az egyes alanyokon belül, (2) meghatározzuk, hogy mely régiók aktiválódnak következetesen az alanyok között, és (3) pontosan meghatározzuk azokat a voxeleket az egyes alanyok agyában, amelyeket az adott alany korábban meghatározott érdeklődési területként (ROI) használunk a II. és III. rész későbbi vizsgálataihoz.
Passzív nézési feladattal végzett stimulusmanipulációt alkalmaztunk (nem pedig azonos ingereken végzett feladatmanipulációt), mivel a foveálisan bemutatott arcok észlelése egy erősen automatikus folyamat, amelyet nehéz akaratlagos kontroll alá vonni (Farah et al, 1995). Képzeljük el például, hogy azt mondják, hogy egy arcot 500 msec-ig felvillantanak a fixációban, és hogy elemeznünk kell az alacsony szintű vizuális jellemzőit, de nem szabad felismernünk az arcot. Ha az arc ismerős, gyakorlatilag lehetetlen lesz elkerülni a felismerését. Így amikor az arcokat foveálisan mutatják be, az arcfelismeréshez kapcsolódó összes folyamat valószínűleg bekövetkezik, függetlenül attól, hogy mi a feladat, és a leghatékonyabb módja annak, hogy olyan kontrollfeltételt hozzunk létre, amelyben ezek a folyamatok nem következnek be, egy nem-arc inger bemutatása (Kanwisher et al., 1996).
Az I. rész eredményei egyetlen olyan régiót mutattak, amely az arcok versus tárgyak összehasonlításánál következetesen aktiválódott az alanyok között; ez a terület a jobb fusiform gyrusban (és/vagy a szomszédos sulciban) volt. Feltételeztük, hogy ez a régió az arc észlelésének valamilyen aspektusára specializálódott, és a II. és III. részben több különböző inger-összehasonlítással teszteltük e hipotézis alternatíváit. A II. részben az öt alany mindegyikét, akik az I. részben egyértelmű fusiform arc-aktivációt mutattak ki, két új inger-összehasonlításon teszteltük. Mindegyikben a módszertani részletek megegyeztek az arcok és a tárgyak összehasonlításával, és csak az ingerhalmazok különböztek. Az első új ingerösszehasonlítás a II. részben az ép kéttónusú arcok (amelyeket az I. részben használt fényképek küszöbértékének csökkentésével hoztunk létre) és az összekevert kéttónusú arcok között történt, amelyekben a fekete komponensek átrendeződtek, hogy egy arcként felismerhetetlen inger keletkezzen (lásd a 3b. ábrát). Ez a manipuláció megőrizte a kéttónusú arc ingerek átlagos fénysűrűségét és néhány alacsony szintű jellemzőjét, és elkerülte a “kivágás és beillesztés” jeleit, amelyek néhány korábbi vizsgálatban problémát jelentettek a keverési eljárásokban; ez a kontraszt tehát annak durva tesztjeként szolgált, hogy az “arcterületek” egyszerűen az arcra, de nem arcra vonatkozó ingerekben jelenlévő alacsony szintű vizuális jellemzőkre reagálnak. Második inger-kontrasztunk – az arcokról készült szembőlnézeti fényképek és a házakról készült szembőlnézeti fényképek (lásd a 3c. ábrát) – azt volt hivatott tesztelni, hogy az “arcterület” nem az arc észlelésében, hanem inkább egy tárgyosztály különböző példányainak feldolgozásában és/vagy megkülönböztetésében vesz-e részt.
A II. rész eredményei. Bal oldali oszlop, Az arcok versus tárgyak összehasonlításhoz, valamint a két későbbi teszthez használt minta ingerek. Középső oszlop, Az S1 alany esetében az arcokra szignifikánsan nagyobb aktivációt produkáló területek, mint a kontroll ingerekre. a, Az arcok és a tárgyak összehasonlítását egyetlen ROI meghatározására használtuk (zöld körvonallal ábrázolva az S1 esetében), minden alany esetében külön-külön. A jobb oldali oszlopban lévő időfolyamatokat úgy állítottuk elő, hogy (1) átlagoltuk a százalékos jelváltozást az adott alany ROI-jában lévő összes voxelre (az eredeti simítatlan adatok felhasználásával), majd (2) átlagoltuk ezeket a ROI-átlagokat az öt alanyra. Az F és azO az a-ban az arc és a tárgy epochákat jelöli; az I és az S a b-ben az ép és a titkosított arc epochákat; az F és aH pedig a c-ben az arc és a kéz epochákat.
A III. rész eredményei. Az egyes tesztek ingerkontrasztjai a bal oldali oszlopban láthatók. a, Az arc ROI-kat minden alany esetében külön-külön határoztuk meg két arc versus tárgy szkennelés átlagának felhasználásával, a 3a. ábra esetében leírtak szerint. Az így kapott agyi szelet statisztikai átfedéssel egy alany (S10) esetében a középső oszlopban látható, a jobb oldalon pedig az öt alany ROI-jára átlagolt jelintenzitás időbeli lefolyása látható. A 3a. ábránál (II. rész) leírtak szerint az arcok versus tárgyak összehasonlítás alapján meghatározott ROI-t használtuk a háromnegyedes arcok versus kezek passzív megtekintésének (b) és a háromnegyedes arcok versus kezek (c) konzekvens párosítási feladatának két további összehasonlításánál.
A III. részben egy új, de egymást átfedő, öt alanyból álló, az I. részben egyértelmű arcjelölt területeket feltáró csoportot vizsgáltunk két új összehasonlításnál. (S1 és S2 alanyok a II. és a III. részben is részt vettek.) Az első új összehasonlításban az alanyok passzívan háromnegyedes nézetű fényképeket néztek arcokról (mindegyik olyan emberről készült, akinek a haja egy fekete kötött síkalapba volt begyűrve), szemben emberi kezekről készült fényképekkel (mindegyik ugyanabból a szögből és nagyjából ugyanabban a helyzetben készült). Ezt az összehasonlítást (lásd a 4b. ábrát) több különböző kérdés tesztelésére tervezték. Először is, általánosítható-e a jelölt arcfelületre adott válasz a különböző nézőpontokra? Másodszor, ez a terület a haj és a fej egyéb külső jegyei alapján (Sinha és Poggio, 1996) vagy a belső jegyek alapján vesz részt az arc felismerésében? Mivel a síkalapos arcoknál a külső vonások nagyrészt rejtve voltak (és a példák között nagyon hasonlóak voltak), ennek a területnek az ilyen ingerekre adott válasza arra utalna, hogy elsősorban az arc belső, nem pedig külső vonásainak feldolgozásában vesz részt. Harmadszor, az emberi kezek kontrollfeltételként való használata azt is tesztelte, hogy az arc területe reagál-e bármilyen élő vagy emberi testrészre. A második új összehasonlításban ugyanazokat az ingereket (háromnegyedes nézetű arcok vs. kezek) mutatták be, miközben az alanyok egy “1-back” feladatot végeztek, amelyben azonos ingerek egymást követő ismétlődéseit keresték (egy gomb megnyomásával, amikor ismétlődést észleltek). Ehhez a feladathoz egy 250 msec-os üres szürke mezőt helyeztek el az arc minden egyes egymást követő 500 msec-os bemutatása között. A szürke mező az egész ingerre kiterjedő érzékszervi tranzienseket eredményezett, és ezáltal a kísérleti személyeknek magasabb szintű vizuális információkra kellett támaszkodniuk a feladat végrehajtásához (Rensink et al., 1997). Mivel az 1-back feladat, ha valami, nehezebb volt a kéz, mint az arc ingerek esetében, az előbbieknek legalább olyan erősen be kell vonniuk az általános figyelmi mechanizmusokat, mint az utóbbiak, kizárva az arcok nagyobb aktivációjának az arcok esetében az általános figyelmi mechanizmusok szempontjából történő magyarázatát.
A II. és III. rész minden egyes alanyának tesztjei az I. részből származó alapvető arc versus tárgy összehasonlításon futottak ugyanabban az ülésben, így az I. rész eredményeit fel lehetett használni az adott alany pontos ROI-jainak létrehozására a II. és III. rész összehasonlításaihoz. A passzív nézési feltételek esetében az alanyokat arra utasítottuk, hogy tartsák a fixációt a ponton, amikor az jelen van, egyébként pedig egyszerűen csak figyelmesen nézzék az ingereket anélkül, hogy ezzel egyidejűleg más mentális játékokat végeznének.
Alanyok. A teszteket 20 40 év alatti, normális személyen végezték el, akik mindannyian normális vagy normálisra korrigált látásról és semmilyen korábbi neurológiai előzményről nem számoltak be. Ötük adatait a túlzott fejmozgás vagy egyéb artefaktumok miatt kihagytuk. A fennmaradó 15 alany (9 nő és 6 férfi) közül 13 résztvevő jobbkezesként, kettő pedig balkezesként jellemezte magát. Mind a 15 alany részt vett az I. részben. (Az S1 alanyon az I. részt többször is lefuttattuk 6 hónapos időszak alatt különböző szkennelési üléseken, hogy egyrészt mérjük a teszt-reteszt megbízhatóságát egy alanyon belül az ülések között, másrészt hogy összehasonlítsuk az I. rész eredményeit az ebben az időszakban végzett számos más kísérleti vizsgálattal.) A 2. ábra S1, S2, S5, S7 és S8 alanyait a II. részben, a 2. ábra S1, S5, S9, S10 és S11 alanyait pedig a III. részben futtattuk. Az S1-S10 alanyok jobbkezesként, míg az S11 és S12 alanyok balkezesként jellemezték magukat. A kísérleti eljárásokat mind a Harvard Egyetem Emberi alanyok kutatásban való felhasználásával foglalkozó bizottsága, mind a Massachusetts General Hospital Emberi tanulmányok albizottsága jóváhagyta; minden résztvevőtől tájékozott beleegyezést kaptunk.
Az alsó két sor, Színkódolt statisztikai térképekkel fedett anatómiai képek az I. részben szereplő 10 jobbkezes alanyról, akiknél az arcnézés során szignifikánsan erősebb MR-jelet produkáló régiók voltak, mint a tárgynézés során. Mindegyik jobbkezes alany (S1-S10) esetében a jobb oldali fusiform arcaktivációt tartalmazó szelet látható; a balkezes S11 és S12 alanyok esetében az összes fusiform arcaktiváció látható az ábrázolt szeleteken. Az S1 és S2 alanyok adatai szagittális, koronális és axiális szeletekre szeletelve (jobbra fent). Nem láthatóak azon három alany adatai, akiknél nem volt olyan régió, amely szignifikánsan erősebben reagált volna az arcokra, mint a tárgyakra.
Stimulusok. A kísérletekben használt ingerek mintái a 3. és 4. ábrán láthatók. Minden inger ∼300 × 300 képpont méretű volt, és szürkeárnyalatos fényképek (vagy fényképszerű képek) voltak, kivéve a II. részben használt ép és kevert kéttónusú arcokat. Az I. és II. részben szereplő arcképek 90 elsőéves személyazonosító fényképek voltak, amelyeket a Harvard 1999-es évfolyamának tagjaitól hozzájárulásukkal szereztek. A II. részben használt háromnegyedes arcképek a Harvard Vision Sciences Lab tagjai vagy önkéntesei voltak. (A legtöbb alany számára egyik arc sem volt ismerős.) A 90 válogatott tárgyfotó (és fotószerű kép) különböző forrásokból származott, és olyan ismerős tárgyak kanonikus nézeteit tartalmazta, mint egy kanál, oroszlán vagy autó. A 90 házfotót egy építészeti könyvből szkennelték be, és a kísérleti személyek számára ismeretlenek voltak.
Minden szkennelés 5 perc 20 másodpercig tartott, és hat 30 másodperces inger-epochából állt, amelyeket hét 20 másodperces fixációs epocha váltott. Az I. és II. rész minden egyes inger epochája alatt 45 különböző fényképet mutattak be foveálisan, 670 msec-enként egyet (az inger 500 msec-ig volt bekapcsolva és 170 msec-ig kikapcsolva). Az inger epochák váltakoztak a két különböző összehasonlítandó körülmény között, amint az az 1., 3. és 4. ábrán látható. Az első stimulusepochában használt 45 különböző inger ugyanaz volt, mint az ötödik stimulusepochában; a második stimulusepochában használt ingerek ugyanazok voltak, mint a hatodikban használtak. A III. részben az ingerek szerkezete és időzítése megegyezett, azzal a különbséggel, hogy (1) összesen 22 arc- és 22 kézi inger került alkalmazásra (a legtöbb inger minden epochában kétszer fordult elő), és (2) az arc- vagy kézi ingerek közötti intervallum 250 msec volt.
Az S1 alany eredményei az I. részben. A jobb félteke balra jelenik meg ezeken és az ebben a tanulmányban szereplő összes agyi képen (kivéve a 2. ábrán “Axiális” feliratú, újraszeletelt képeket). A bal oldali agyi képek színesen mutatják azokat a voxeleket, amelyek szignifikánsan nagyobb MR-jelintenzitást produkáltak (a simított adatok alapján) az arcokat tartalmazó epochák alatt, mint a tárgyakat tartalmazó epochák alatt (1a) és fordítva (1b) a 12 szeletből 1 szkennelt szelet esetében. Ezeket a szignifikációs képeket (lásd a jobb oldali színkulcsot ehhez és a tanulmány összes ábrájához) ugyanazon szelet T1-súlyozott anatómiai képére helyeztük rá. A többi 11 szelet többsége nem mutatott olyan voxelt, amely az összehasonlítás bármelyik irányában elérte volna a p < 10-3 vagy annál jobb szignifikancia szintet. Minden képen egy ROI zölddel van körvonalazva, és a nyers százalékos jelváltozás időbeli alakulása az 5 perc 20 másodperces szkennelés során (a simítatlan adatok alapján és a ROI-ban lévő voxelekre átlagolva) a jobb oldalon látható. Az arcokat bemutató epochákat az F-vel jelölt függőleges szürke sávok jelzik; az O-val jelölt szürke sávok azokat az epochákat jelzik, amelyek során válogatott tárgyakat mutattak be; a fehér sávok a fixációs epochákat jelzik.
A stimulusszekvenciákat a MacProbe szoftverrel (Hunt, 1994) generáltuk, és videoszalagra rögzítettük, hogy a vizsgálatok során videoprojektoron keresztül bemutathassuk. Az ingereket egy csiszolt üvegvászonra vetítettük vissza, és az alany homloka fölött elhelyezett tükörben néztük (az ingerek látószöge ∼15 × 15° volt).
MRI felvétel. A felvételeket a Massachusetts General Hospital NMR Center (Charlestown, MA) 1,5 T MRI-berendezésével (General Electric Signa, Milwaukee, WI) végezték, echo-planáris képalkotás (Instascan, ANMR Systems, Wilmington, MA) és egy kétoldali kvadratúrás, csak vételre alkalmas felületi tekercs (Patrick Ledden, Massachusetts General Hospital NMR Center) segítségével. A funkcionális adatokat aszimmetrikus spin echo szekvenciával nyertük (TR = 2 sec, TE = 70 msec, flipszög = 90°, 180° offset = 25 msec). A 12 6 mm-es szeletünket az okcipitális és temporális lebenyek alsó szélével párhuzamosan tájoltuk, és a teljes okcipitális és a temporális lebeny nagy részét lefedtük (lásd az 5. ábrát). A fejmozgást harapósávval minimalizáltuk. A voxelméret 3,25 × 3,25 × 6 mm volt. Az eljárásunk részletei megegyeznek a Tootell és munkatársai (1995) által leírtakkal, kivéve az itt leírtakat.
Midsagittális anatómiai kép az S1 alanyról, amely a vizsgálatban használt 12 szelet tipikus elhelyezését mutatja. A szeleteket úgy választottuk ki, hogy az okcipitális és temporális lebenyek teljes ventrális felszínét tartalmazza.
Az adatok elemzése. A 20 szkennelt alany közül ötnek túlzott fejmozgása volt és/vagy egy vagy több futás során elalvásról számolt be; ezeknek az alanyoknak az adatait kihagytuk a további elemzésből. A mozgást egy futáson belül úgy értékeltük, hogy kerestük (1) egy adott szelet funkcionális képének látható elmozdulását egy futás első és utolsó funkcionális képe között, (2) aktivált régiókat, amelyek az agy széle körül íveltek és/vagy oldalra tolódtak, amikor a statisztikai összehasonlítás előjele megfordult, és/vagy (3) rámpákat a jelintenzitás időbeli lefolyásában egyetlen voxel vagy voxelcsoport esetében. A futások közötti mozgást úgy értékeltük, hogy vizuálisan megvizsgáltuk a nyers funkcionális képeket, hogy nem változott-e az agyi szelet alakja a futások között.
A fennmaradó 15 alany esetében nem végeztünk mozgáskorrekciót. A kísérleti adatok azt mutatták, hogy az egyetlen futásból származó szignifikancia néha gyenge volt, de sokkal erősebbé vált, amikor egy alanyon belül két azonos futást átlagoltunk (pl., amikor az egyes voxelekre vonatkozó két megfelelő értéket – az egyes felvételekből egyet-egyet – együttesen átlagolták az egyetlen 5 perc 20 másodperces vizsgálat során gyűjtött 160 kép × 12 szelet mindegyikére). Ezért minden tesztet kétszer futtattunk le minden egyes alanyon, és a két tesztfuttatás átlagát képeztük. Az adatokat ezután Kolmogorov-Smirnov teszt segítségével statisztikailag elemeztük, miután Hanning kernellel simítottunk egy 3 × 3 voxeles területen, hogy megközelítőleg 6 mm-es funkcionális felbontást kapjunk. Ezt az elemzést minden egyes voxelre lefuttattuk (a becsült hemodinamikai késleltetésre vonatkozó 6 másodperces késleltetés beépítése után), megvizsgálva, hogy az adott voxelben az MR-jelintenzitás szignifikánsan nagyobb volt-e az egyik ingerosztályt (pl. arcok) tartalmazó epochák alatt, mint a másikat (pl. tárgyak) tartalmazó epochák alatt. Az aktivációs területeket a szignifikanciaszintet jelző színes ábrázolásokban jelenítették meg, ugyanazon szelet nagyfelbontású anatómiai képein átfedve. A szignifikáns aktivációval rendelkező voxeleket vizuálisan is megvizsgáltuk a nyers (nem simított) jelintenzitás időbeli alakulásának ábrázolásával a szkennelés 5 perc 20 másodperce alatt.
Az általunk kiválasztott szeleteken és tekercsek tartományán belül minden olyan régió azonosítása érdekében, amely az I. részben erősebben reagált az arcokra, mint a tárgyakra, valamint azok Talairach-koordinátái, minden alany anatómiai és funkcionális adatait először a saját Talairach-térbe illesztettük, majd elemeztük (a Bush et al. Tal-EZ programjával, 1996), hogy megtaláljuk az összes olyan régiót, amely az arcok esetében erősebb jelet adott, mint a tárgyak esetében ap < 10-4 szignifikancia szinten (többszörös összehasonlítással nem korrigálva). Ez az elemzés az arcjelölt területek felderítésére szolgált, és feltárta, hogy az egyetlen régió, amelyben a legtöbb alanyunk szignifikánsan nagyobb aktivációt mutatott az arcokra, mint a tárgyakra, a jobb oldali fusiform gyrus volt. Ezért ez a régió került a II. és III. részben végzett részletesebb vizsgálataink középpontjába.
A II. és III. rész minden egyes alanya esetében azonosítottunk egy arc-ROI-t, amely a jobb fusiform régió összes olyan összefüggő voxeléből állt, amelyben (1) az MR jelintenzitás szignifikánsan erősebb volt az arc, mint a tárgy epochák alatt a p < 10-4 szinten, és (2) az adott voxel nyers időfolyam adatainak vizuális vizsgálata nem mutatott nyilvánvaló rámpákat, tüskéket vagy más artefaktumokat. Az S11-es alany esetében, aki balkezes volt, és nagyon nagy és nagyon jelentős aktivációkat mutatott mind a bal, mind a jobb fusiform gyriben, a III. részben használt ROI mindkét régiót tartalmazta.
A II. és III. rész minden egyes összehasonlításánál először átlagoltuk az egyes alanyok két futását, majd átlagoltuk a voxeleket az adott alany előre meghatározott arc-ROI-jában (az I. részből), hogy levezessük a nyers jelintenzitás időbeli alakulását az adott alany ROI-jában. Ezután két további elemzést végeztünk. Először is, kiszámítottuk az átlagos MR-jelintenzitást az egyes alanyok ROI-jában minden egyes epochára vonatkozóan (egy alanyon belül a ROI összes voxelére és az egyes epochákban gyűjtött összes képre vonatkozó átlagolással). Ezután az egyes alanyok és ingerek epocháinak átlagos MR-jelintenzitását a II. és III. rész esetében külön-külön bevittük egy háromutas ANOVA-ba az alanyok között (epochaszám × arc/kontroll × teszt). Az epochaszám faktornak három szintje volt az egyes feltételek első, második és harmadik epochájának megfelelően; a teszt faktornak három szintje volt a három különböző inger-összehasonlításnak megfelelően (arcok vs. tárgyak/törmelék vs. ép arcok/arcok vs. házak a II. részben és arcok vs. tárgyak/passzív arcok vs. kezek/1-hátra arcok vs. kezek a III. részben). Ezek az ANOVA-k lehetővé tették a különböző arc- és kontrollkörülmények közötti jelintenzitásbeli különbségek szignifikanciájának vizsgálatát, valamint annak vizsgálatát, hogy ez a különbség kölcsönhatásba lép-e az epochák számával és/vagy az összehasonlítás típusával.
Másodszor, minden egyes alany esetében az adott alany arc-ROI-jának MR-jelintenzitásának nyers időbeli alakulását a százalékos jelváltozás időbeli alakulására alakítottuk át, az adott alany összes fixációs epochára vonatkozó átlagos jelet használva alapértékként ugyanazon futásokban (az arc-ROI-ban). Az egyes alanyok arc-ROI-jának százalékos jelváltozásának időbeli alakulását ezután átlagolni lehetett az öt alanyra, akiket ugyanazon a teszten futtattak, az I-III. rész összes tesztjére vonatkozóan. Az egyes alanyok ROI-jaira és az egyes epochatípusok során gyűjtött összes adatra vonatkozó átlagolással minden egyes teszt esetében levezettük az átlagos százalékos jelváltozást az arc- és a kontrollkörülményekre vonatkozóan. Az arcok és a kontroll feltétel százalékos jelváltozásának aránya az egyes tesztek esetében az arc ROI szelektivitásának mértékét adja az adott tesztben használt ingerkontrasztra vonatkozóan.